1、第二章第二章 经典力学的建立和发展经典力学的建立和发展 我已经把哲学的原理确定下来了，但这些原理不是我已经把哲学的原理确定下来了，但这些原理不是哲学的，而是数学的。哲学的，而是数学的。牛顿牛顿近代自然科学的诞生是从天文学的突破开始的。近代自然科学的诞生是从天文学的突破开始的。经典力学是从伽利略和开普勒时代开始的，到牛顿时经典力学是从伽利略和开普勒时代开始的，到牛顿时代到达成熟阶段。代到达成熟阶段。从科学方法上看，它的建立和发展离不开科学实验方从科学方法上看，它的建立和发展离不开科学实验方法和数学的引入，也就是离不开归纳法（需要实验）法和数学的引入，也就是离不开归纳法（需要实验）和演绎法（需要数
2、学）两者的结合。和演绎法（需要数学）两者的结合。讨论与思考：讨论与思考：为什么要先学力学？为什么要先学力学？中学时学的力学，你还记得多少？中学时学的力学，你还记得多少？请你说出牛顿三定律的内容和机械能守恒定律的条件。请你说出牛顿三定律的内容和机械能守恒定律的条件。2.1 2.1 坐标系、位置矢量、速度坐标系、位置矢量、速度力学是定量的科学，为了描写物体运动，必须引入基力学是定量的科学，为了描写物体运动，必须引入基本量位置、时间、速度。本量位置、时间、速度。在牛顿力学中，在牛顿力学中，坐标坐标和和时间时间是独立的，且在不同参考是独立的，且在不同参考系中用系中用“长度不变的尺长度不变的尺”和和“绝
3、对时绝对时 间间”（即不同参考系中钟的快慢一（即不同参考系中钟的快慢一 样）。样）。速度速度是矢量，速度合成用平行四边是矢量，速度合成用平行四边 形法则。形法则。2v合v1v在数学和物理中，作图法很重要，可帮助我们理解。在数学和物理中，作图法很重要，可帮助我们理解。希望同学们在学习中重视图形的用处，体会用图来分希望同学们在学习中重视图形的用处，体会用图来分析说明问题的重要性和必要性。析说明问题的重要性和必要性。xyzO2.2 2.2 从哥白尼到开普勒从哥白尼到开普勒一、向地心说挑战哥白尼创立日心说为什么近代科学诞生是从天文学的突破开始的？为什么近代科学诞生是从天文学的突破开始的？托勒密地心说体
4、系托勒密地心说体系 托勒密托勒密 早在公元前早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了出了“地心说地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元，即认为地球位于宇宙的中心。公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了他的年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著卷巨著天文天文学大成学大成，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。不动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落
5、、这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1300余年。余年。关于托勒密和地心说关于托勒密和地心说托勒密（约90168）古希腊天文学家、地理学家。于公古希腊天文学家、地理学家。于公元元2 2世纪继承亚里士多德的世纪继承亚里士多德的“地球中地球中心说心说”，提出了精心加工改进的，提出了精心加工改进的“地地心说心说”。他利用一系列匀速运动的叠。他利用一系列匀速运动的叠加来描述地球上观察到的天体运动。加来描
6、述地球上观察到的天体运动。用均轮、本轮（包括本轮上套更小的用均轮、本轮（包括本轮上套更小的本轮）偏心轮和对称点的结合以及调本轮）偏心轮和对称点的结合以及调节节“本轮本轮”的半径。为了描述日月五的半径。为了描述日月五大行星，用了大行星，用了8080个本轮。个本轮。如何看待托勒密及其地心说？要历史地、辩证地看要历史地、辩证地看“错误错误”的东西。的东西。绝不能看作被绝不能看作被“批判的靶子批判的靶子”。（1 1）古希腊的著名天文学家，知识渊博。（不是宗教神学代表，）古希腊的著名天文学家，知识渊博。（不是宗教神学代表，教会利用了日心说，日心说与宗教教义符合）教会利用了日心说，日心说与宗教教义符合）（
7、2 2）以观察结果为依据，不断修正地心说。）以观察结果为依据，不断修正地心说。（3 3）提出以匀速圆周运动描述行星的）提出以匀速圆周运动描述行星的“复杂复杂”运动。运动。所以所以“复杂复杂”，要用，要用8080个本轮个本轮,只是由于参照系不同，他是只是由于参照系不同，他是 以地球为参照系以地球为参照系的结果的结果。（4 4）托勒密地心说对当时天文学的发展起了很大的推动作用，为）托勒密地心说对当时天文学的发展起了很大的推动作用，为 当时大多数人所接受。当时大多数人所接受。（5 5）致命缺点）致命缺点越来越复杂，且对各行星不和谐统一。越来越复杂，且对各行星不和谐统一。哥白尼哥白尼哥白尼日心说示意图
8、哥白尼日心说示意图日心说的创立和日心说的创立和天体运行论天体运行论的出版的出版 日心说提出的科学根源、哲学根源和历史根源是什么？日心说提出的科学根源、哲学根源和历史根源是什么？科学根源科学根源：随着天文学观察数据越来越多，为了给予：随着天文学观察数据越来越多，为了给予解释，托勒密的地心说不断修补，越来越复杂，难以解释，托勒密的地心说不断修补，越来越复杂，难以使人信服。使人信服。哲学根源哲学根源：他接受毕达哥拉斯学派提出的：他接受毕达哥拉斯学派提出的“宇宙是和宇宙是和谐的，可用简单的数学关系来表达宇宙规律谐的，可用简单的数学关系来表达宇宙规律”的基本的基本思想。他也赞同柏拉图哲学，同柏拉图一样，
9、高度赞思想。他也赞同柏拉图哲学，同柏拉图一样，高度赞美太阳，给予太阳美太阳，给予太阳“宇宙正中宇宙正中”的位置。的位置。历史根源历史根源：在意大利留学：在意大利留学1010年，受到文艺复兴运动影年，受到文艺复兴运动影 响，思想解放，投身科学革命。响，思想解放，投身科学革命。三三.日心说的重大贡献意义日心说的重大贡献意义1.是人类认识宇宙的一个划时代的里程碑。是人类认识宇宙的一个划时代的里程碑。2.在哥白尼逝世在哥白尼逝世410周年纪念会上，爱因斯坦说：周年纪念会上，爱因斯坦说：“我们今天以愉快和我们今天以愉快和感激的心情来纪念这样一个人，他对西方摆脱教权统治和学术统治感激的心情来纪念这样一个人
10、，他对西方摆脱教权统治和学术统治枷锁的精神解放所作的贡献几乎比谁都大。枷锁的精神解放所作的贡献几乎比谁都大。”又说：又说：“要令人信服地详细说明太阳中心概念的优越性，必须具有罕要令人信服地详细说明太阳中心概念的优越性，必须具有罕见的思考的独立性和直觉，也要通晓天文事实，而这些事实在那个见的思考的独立性和直觉，也要通晓天文事实，而这些事实在那个时代是不易得到的。时代是不易得到的。”四.不足之处1.只是一个几何模型，不能算是物理模型。只是一个几何模型，不能算是物理模型。2.“太阳是宇宙的中心太阳是宇宙的中心”的提法也是不科学的。的提法也是不科学的。开普勒（15711630）德国天文学家，发现了行星
11、运动的三定律，被称为德国天文学家，发现了行星运动的三定律，被称为是是“天空的立法者天空的立法者”。他不仅捍卫了日心说，并为万。他不仅捍卫了日心说，并为万有引力的和天体力学的诞生奠定了基础。有引力的和天体力学的诞生奠定了基础。二、开普勒行星三定律哥白尼和毕达哥拉斯的哲学思想强烈吸引开普勒。哥白尼和毕达哥拉斯的哲学思想强烈吸引开普勒。与第谷合作，使他从第谷处获与第谷合作，使他从第谷处获 得了大量精确的天文学数据。得了大量精确的天文学数据。16091619年，他先后提出了年，他先后提出了 行星运动三定律。行星运动三定律。第谷在天文台工作第谷在天文台工作第谷用过的望远镜第谷用过的望远镜一.开普勒行星运
12、动三定律的发现1.开普勒的兴趣和哲学思想 青年时代开普勒对数学与天文学有浓厚兴趣。哥白尼学说及毕达哥拉斯学青年时代开普勒对数学与天文学有浓厚兴趣。哥白尼学说及毕达哥拉斯学派关于派关于“宇宙中存在优美的数学秩序宇宙中存在优美的数学秩序”的观念强烈吸引他。他声称的观念强烈吸引他。他声称“几何学几何学为上帝创世提供了一个模型。为上帝创世提供了一个模型。”他赞美太阳道他赞美太阳道“太阳位于运动群星的当中，太阳位于运动群星的当中，其自身静止却又是运动的源泉，承载在圣文和创世主的形象其自身静止却又是运动的源泉，承载在圣文和创世主的形象”一.开普勒行星运动三定律的发现2.8偏离的启示 1600 1600年，
13、与第谷的合作，为他提供了大量精确的观察数据。历时年，与第谷的合作，为他提供了大量精确的观察数据。历时四年研究火星运动轨道。发现如果用本轮套本轮的办法来修正哥白尼四年研究火星运动轨道。发现如果用本轮套本轮的办法来修正哥白尼的轨道，结果与第谷观测轨道仍有的轨道，结果与第谷观测轨道仍有88偏离，而第谷仪器精度达到偏离，而第谷仪器精度达到11 。正是这。正是这88差别，引导开普勒发现火星和其他行星的轨道是椭差别，引导开普勒发现火星和其他行星的轨道是椭圆的。圆的。开普勒在开普勒在16091609年发表的年发表的新天文学新天文学中讲中讲“8 8弧分是不允许忽略弧分是不允许忽略的，它使我走上改革整个天文学的
14、道路。的，它使我走上改革整个天文学的道路。”正如爱因斯坦所说正如爱因斯坦所说“所有重要的科学观念都是在实在跟我们的理所有重要的科学观念都是在实在跟我们的理解之间发生强烈冲突时诞生的解之间发生强烈冲突时诞生的”（物理学进化（物理学进化P193P193）3.毕生精力研究行星运动 开普勒经过开普勒经过9 9年的计算分析，于年的计算分析，于16091609年提出了第一定律和第二定年提出了第一定律和第二定律，又隔律，又隔1010年到年到16911691年才全部完成三定律。到年才全部完成三定律。到19271927年算出精确的新的年算出精确的新的行星运动表，准确度平均达行星运动表，准确度平均达1010。1.
15、1.椭圆定律椭圆定律：每个行星的轨道是一个椭圆，太阳位于一：每个行星的轨道是一个椭圆，太阳位于一 个焦点上。个焦点上。开普勒第一定律开普勒第一定律2 2等面积定律等面积定律：在行星与太阳间作一条直线，则此直线：在行星与太阳间作一条直线，则此直线 在行星运动时于相同时间内扫过相等的面积。在行星运动时于相同时间内扫过相等的面积。3 3和谐定律和谐定律：行星运动周期：行星运动周期T 的平方正比于行星与太阳的平方正比于行星与太阳 平均距离平均距离R 的三次方，记为：的三次方，记为：开普勒第二定律开普勒第二定律32kRT二二.重大贡献意义重大贡献意义1.“天空的立法者”使日心说成为了物理模型，从而使天文
16、学真正成为一个精确的科学。爱因斯坦在爱因斯坦在1930年纪念开普勒逝世年纪念开普勒逝世300周年而写的文章中指出周年而写的文章中指出“开普开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子，这条真理勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两是：知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。者的比较中得出。”2.三定律给出了太阳系极为简单的、秩序井然的、和谐的图景。所有行星都绕焦点太阳在近似圆的椭圆轨道上运行，几乎都在同一平所有行星都绕焦点太阳在近似圆的椭圆轨道上运行，几乎都在同一
17、平面上，都遵守面上，都遵守T2R3的规律的规律,其中第二定律反映了角动量守恒。其中第二定律反映了角动量守恒。开普勒当时已认识到可用天体力来解释行星的运动，正是太阳对行星开普勒当时已认识到可用天体力来解释行星的运动，正是太阳对行星有一种吸引力，这是前所未有的大胆创新思想。为万有引力定律的发现有一种吸引力，这是前所未有的大胆创新思想。为万有引力定律的发现打下基础。打下基础。3.继承与发展（创新）的重要性 托勒密托勒密 -哥白尼哥白尼-开普勒开普勒三三.不足之处不足之处1.其三定律还只是经验规律，缺少物理说明。其三定律还只是经验规律，缺少物理说明。2.预言了太阳吸引力是导致行星运动的主要因素，但具体
18、是怎样一种力预言了太阳吸引力是导致行星运动的主要因素，但具体是怎样一种力不知道。不知道。开普勒已经认识到：他的定律开普勒已经认识到：他的定律强烈地暗示了太阳对行星有一种吸强烈地暗示了太阳对行星有一种吸引力，这个力随距离之增大而减弱。引力，这个力随距离之增大而减弱。这样才能理解例如为什么水星（离这样才能理解例如为什么水星（离太阳最近）的运动速度比金星的快，太阳最近）的运动速度比金星的快，因而周期最短的事实。但这是什么因而周期最短的事实。但这是什么样的力呢？开普勒还想不出来，揭样的力呢？开普勒还想不出来，揭示这一自然奥秘的任务是后来牛顿示这一自然奥秘的任务是后来牛顿完成的，但开普勒的理论为牛顿经完
19、成的，但开普勒的理论为牛顿经典力学的建立提供了重要基础。从典力学的建立提供了重要基础。从开普勒起，天文学真正成为一门精开普勒起，天文学真正成为一门精确科学，成为近代科学的开路先锋。确科学，成为近代科学的开路先锋。开普勒开普勒2.3 2.3 伽利略和近代力学的诞生伽利略和近代力学的诞生一、伽利略在天文学方面的贡献：自制望远镜自制望远镜发现木星的发现木星的4 4颗卫星颗卫星发现太阳黑子发现太阳黑子定出太阳自转周期定出太阳自转周期伽利略伽利略伽利略望远镜伽利略望远镜 木星卫星木星卫星 二、在力学方面的贡献：提出落体定律和惯性运 动概念 勇敢地否定了亚里士多德把运动划分为勇敢地否定了亚里士多德把运动划
20、分为“自然运动自然运动”和和“强迫运动强迫运动”，而是抓住了运动基本特征量，而是抓住了运动基本特征量速速度和加速度，把运动分为度和加速度，把运动分为“匀速匀速”和和“变速变速”。用思想实验和斜面实验驳斥了亚里用思想实验和斜面实验驳斥了亚里 士多德的士多德的“重物下落快重物下落快”的错误观的错误观 点，发现自由落体定律。点，发现自由落体定律。伽利略与斜塔伽利略与斜塔 伽利略斜面实验伽利略斜面实验我的目的，是要阐述一门崭新的科学，它研究的却是非常古老的课题。也许，在自然界中最古老的课题莫过于运动了。哲学家门写的关于这方面的书既不少，也不小。但是我从实验实验发现了一些值得注意的性质，到现代为止还未有
21、人观察过或者演示过。也做过一些表面的观察，例如观察到下落重物的自然运动是连续加速的，但还未有人宣布过，这一加速达到什么程度：据我所知，还没有一个人指出：一个从静止下落的物体在相等的时间间隔内，保持按从保持按从1开始的奇数的比开始的奇数的比例例。迦利略两门新科学：第三天的谈话我考虑更重要的是，我考虑更重要的是，一门广博精深的科学已经启蒙，我一门广博精深的科学已经启蒙，我在这方面的工作只是他的开始，那些比我更敏锐的人在这方面的工作只是他的开始，那些比我更敏锐的人所用的方法和手段将会探索到各个遥远的角落。所用的方法和手段将会探索到各个遥远的角落。我们可以说，大门已经向新方法打开，这种将带来大量我们可
22、以说，大门已经向新方法打开，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里定会博得许多人奇妙成果的新方法，在未来的年代里定会博得许多人的重视的重视迦利略两门新科学三、对科学方法的贡献伽利略的研究方法伽利略的研究方法 伽利略在解释其观察结论伽利略在解释其观察结论 对现象的观察对现象的观察 提出假设提出假设 进行数学和逻辑的推理进行数学和逻辑的推理 实验验证实验验证 形成理论形成理论 开创了科学实验方法，并将实开创了科学实验方法，并将实验、观察和理论思维相结合。验、观察和理论思维相结合。提出了思想实验。提出了思想实验。爱因斯坦评价他说：爱因斯坦评价他说：“伽利略的发现以及他所用的伽利略的发现以及他
23、所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学真正的开端。标志着物理学真正的开端。”伽利略被后人称为伽利略被后人称为“现代物理之父现代物理之父”。罗马教庭对伽利略的审判罗马教庭对伽利略的审判 小结一、一、两种文化的历史演变两种文化的历史演变二、二、对哥白尼的日心说要思考的问题对哥白尼的日心说要思考的问题a)根源是什么根源是什么b)如何看待地心说如何看待地心说三、开普勒三、开普勒a)几何模型到物理模型几何模型到物理模型b)与第谷的合作（理论与实验数据的关系）与第谷的合作（理论与实验数据的关系）c)三个定律三个定律d)关于关于8个
24、弧分不可忽略（近代科学是精确科学）个弧分不可忽略（近代科学是精确科学）小结 四、伽利略四、伽利略1 对物理学的贡献对物理学的贡献a)天文学天文学b)力学力学把运动分成匀速运动和加速运动用思想实验和斜面实验研究落体定律（驳斥“亚”的观点）用思想实验提出惯性运动的概念相对运动和运动合成的概念小结 四、伽利略四、伽利略2对科学方法的贡献对科学方法的贡献为什么被称为为什么被称为“现代物理之父现代物理之父”1）开创科学实验方法）开创科学实验方法 卡斯特利、卡瓦利里、维维尼安和托里拆利卡斯特利、卡瓦利里、维维尼安和托里拆利2）理想实验方法）理想实验方法伽利略的研究方法伽利略的研究方法 对现象的观察对现象的
25、观察 提出假设提出假设 进行数学和逻辑的推理进行数学和逻辑的推理 实验验证实验验证 形成理论形成理论 牛顿（16421727）世界最杰出的十位物理学家中仅次于爱因斯坦。在世界最杰出的十位物理学家中仅次于爱因斯坦。在物理学、天文学、数学等多种学科作出一流贡献，尤物理学、天文学、数学等多种学科作出一流贡献，尤其在自然哲学和科学研究方法上作出了创造性的贡献。其在自然哲学和科学研究方法上作出了创造性的贡献。为近代科学革命奠定了基础。为近代科学革命奠定了基础。2.4 2.4 牛顿和经典力学的成熟牛顿和经典力学的成熟英国著名诗人英国著名诗人Pope写道：写道：自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然
26、界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：上帝说：“让牛顿去吧！让牛顿去吧！”于是一切成为光明。于是一切成为光明。牛顿发明反射望远镜牛顿发明反射望远镜 一一.牛顿简历牛顿简历 自小性格倔强，学习发奋，喜欢制作模型。大学遇伯乐自小性格倔强，学习发奋，喜欢制作模型。大学遇伯乐巴罗教授（光学、数学、实验）。两年乡下躲避瘟疫，为丰巴罗教授（光学、数学、实验）。两年乡下躲避瘟疫，为丰收时期（万有引力、微积收时期（万有引力、微积分分）。不仅在物）。不仅在物理理学、天文学、学、天文学、化化学和学和数学数学等等方面方面作出了一流贡献，而且在自然哲学和科学研作出了一流贡献，而且在自然哲学和科学研究方法方面作出了创造性贡献。
27、究方法方面作出了创造性贡献。20多年多年的研的研究成究成果果总结总结为著作为著作:自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理二、牛顿力学三定律 我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为哲我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究自然学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究自然之力，而然后用这些力去论证其他的现象之力，而然后用这些力去论证其他的现象 1687年，牛顿出版了划时代的巨著原理，共分三年，牛顿出版了划时代的巨著原理，共分三卷，第一卷包括若干定义和公理，即运动定律；讨论卷，第一卷包括若干定义和公理，即运动定律；讨论了曲线运动中的向心力以及确定物体的运
28、动轨道等；了曲线运动中的向心力以及确定物体的运动轨道等；第二卷论述有阻力的媒质中的质点的运动；第三卷论第二卷论述有阻力的媒质中的质点的运动；第三卷论述了太阳系中的行星、卫星和彗星的运动。述了太阳系中的行星、卫星和彗星的运动。牛顿力学三定律 定义定义1 物质的量，由密度和尺寸共同量度物质的量，由密度和尺寸共同量度区分了质量和重量的概念区分了质量和重量的概念2运动的量是运动多寡的度量，有速度和物质的量运动的量是运动多寡的度量，有速度和物质的量共同量度共同量度3物体的惯性力或固有力，是一种反抗的能力。由物体的惯性力或固有力，是一种反抗的能力。由于这种力，物体不论静止的或者沿直线均匀向前运动于这种力，
29、物体不论静止的或者沿直线均匀向前运动的，都要尽力维持其现状的，都要尽力维持其现状4外力是加于物体上的一种作用，以改变其运动状外力是加于物体上的一种作用，以改变其运动状态，不论这种状态是静止的或者直线匀速运动的。态，不论这种状态是静止的或者直线匀速运动的。任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，直到外力迫使它改变运动状态为止直到外力迫使它改变运动状态为止.一一 牛顿第一定律牛顿第一定律惯性和力的概念惯性和力的概念)()(,)()(tmtpttptFvdd二二 牛顿第二定律牛顿第二定律v时，时，恒矢量恒矢量0F 动量为动量为 的物体，在合外力的物体，在合
30、外力 的作用下，其动的作用下，其动量随时间的变化率应当等于作用于物体的合外力量随时间的变化率应当等于作用于物体的合外力.pF当当 时，时，为为常量常量cv)()(tamtFm321aaaaxxmaF yymaF zzmaF kajaiaazyxkFjFiFFzyx321FFFF 力的叠加原理力的叠加原理瞬时瞬时关系关系牛顿定律的研究对象是单个物体（牛顿定律的研究对象是单个物体（质点）质点）牛顿第三定律牛顿第三定律又称作用和反作用定律：一物体对另又称作用和反作用定律：一物体对另一物体的作用力同时引起另一物体对该物体的大小相等、一物体的作用力同时引起另一物体对该物体的大小相等、方向相反的反作用力，
31、作用力和反作用力在同一条直线方向相反的反作用力，作用力和反作用力在同一条直线上。上。三、万有引力定律的创立过程思想突破思想突破 问题的提出问题的提出月亮为什么不掉到地球上来？月亮为什么不掉到地球上来？别人只看到了天上和地上的运动不同，牛顿看到了它别人只看到了天上和地上的运动不同，牛顿看到了它们的相似性，把它们统一起来。这正是牛顿哲学思想们的相似性，把它们统一起来。这正是牛顿哲学思想统一性原理的体现。统一性原理的体现。2112FF221RmmGF 三三.万有引力定律的创立过程万有引力定律的创立过程 爱因斯坦：爱因斯坦：“要了解牛顿想的什么，以及他为什么要了解牛顿想的什么，以及他为什么要干某些事，
32、那是最重要的。要干某些事，那是最重要的。”（爱因斯坦文集爱因斯坦文集1-622-191-622-19）1.1.问题的提出问题的提出 通过理想实验，提出只要超过一定速度，高山上发射的炮通过理想实验，提出只要超过一定速度，高山上发射的炮弹可以沿一圆轨道绕地球旋转。弹可以沿一圆轨道绕地球旋转。思想突破思想突破月亮为什么不掉下来？月亮为什么不掉下来？三三.万有引力定律的创立过程万有引力定律的创立过程2.2.万有引力公式的建立万有引力公式的建立 老年牛顿老年牛顿在在17141714年写的备忘年写的备忘录录(保存在剑桥大保存在剑桥大学的牛学的牛顿遗稿顿遗稿)中写道中写道:“这一年这一年(指指1665年年)
33、我还开始我还开始想到想到重力是重力是伸向月球伸向月球的轨道的。的轨道的。”还写道还写道:“我还我还从开普勒关于行星的周期是和从开普勒关于行星的周期是和行星行星轨道轨道的中心的距离的的中心的距离的3/2次方次方成比例的成比例的定定律律推出了使推出了使行星行星保保持在它们的轨道上的力必持在它们的轨道上的力必定定要要和和它们与它它们与它们绕之而运行们绕之而运行的的中心之间中心之间的的距离的平距离的平方方成反比例。成反比例。”“最后在最后在1676和和1677年年之间之间的冬季，我发现了一个命题，那就是在离心力等于和距的冬季，我发现了一个命题，那就是在离心力等于和距离的平离的平方成方成反比的情况反比的
34、情况下下，一个行星必然要一个行星必然要绕绕处处于一个椭圆于一个椭圆的一个焦的一个焦点点作作椭圆形椭圆形运运动动。”三三.万有引力定律的创立过程万有引力定律的创立过程3.3.哲学思想指导哲学思想指导 在在原理原理一书第三卷的一书第三卷的“哲学中的推理法则哲学中的推理法则”中中法则法则 3 3 中正式提出了万有引力思想中正式提出了万有引力思想“我们必须普遍承认，无论无我们必须普遍承认，无论无种物体都只赋有一个原则，即他们能够相互吸引。种物体都只赋有一个原则，即他们能够相互吸引。”可见牛顿是可见牛顿是站在哲学高度看问题，站在哲学高度看问题，法则法则3 3的核心思的核心思想是想是统一性原理。统一性原理
35、。卡文迪许测得：卡文迪许测得：目前的国际公认值：目前的国际公认值：卡文迪许扭称卡文迪许扭称卡文迪许卡文迪许1110754.6GNm2/kg211106726.6GNm2/kg2旋吊线旋吊线悬吊在半空中可以悬吊在半空中可以自由转动的木杆自由转动的木杆小铅球小铅球大铅球大铅球4理论预言的实践检验理论预言的实践检验哈雷彗星和海王星的发现哈雷彗星和海王星的发现哈雷彗星哈雷彗星 海王星海王星 四牛顿在科学研究方法上的贡献四牛顿在科学研究方法上的贡献 “我把这部著作叫做我把这部著作叫做自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理，因为哲学的全部任务看来因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来就在于从各种运动现
36、象来研究各种自然之力，而后研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他的现用这些力去论证其他的现象。象。”牛顿的研究方法：归纳牛顿的研究方法：归纳-演绎法演绎法 归纳法归纳法：从实验出发，由特殊到一般：从实验出发，由特殊到一般 演绎法演绎法：以理论为主，有一般到特殊：以理论为主，有一般到特殊自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理 值得思考：牛顿在这里不仅讲了研究的目的，还讲值得思考：牛顿在这里不仅讲了研究的目的，还讲了科学研究方法。即从特殊（现象）到一般（规律），了科学研究方法。即从特殊（现象）到一般（规律），再从一般回到特殊。前者是英国哲学家培根强调的再从一般回到特殊。前者是英国哲学家培根强调的“
37、归归纳法纳法”，它以实验为基础；后者是被数学家兼哲学家的，它以实验为基础；后者是被数学家兼哲学家的笛卡儿所强调的笛卡儿所强调的“演绎法演绎法”，它要用数学工具。，它要用数学工具。在牛顿前，两种方法被认为是互相排斥的。牛顿在在牛顿前，两种方法被认为是互相排斥的。牛顿在科学方法上的重大贡献就是他把两种方法结合起来了。科学方法上的重大贡献就是他把两种方法结合起来了。从牛顿万有引力公式的建立到被世界公认的过程，从牛顿万有引力公式的建立到被世界公认的过程，就可以看到牛顿是将两种方法结合起来，说明这两种方就可以看到牛顿是将两种方法结合起来，说明这两种方法是相辅相成的。这也牛顿哲学思想的体现。法是相辅相成的
38、。这也牛顿哲学思想的体现。五、牛顿的自然哲学思想 牛顿在牛顿在自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理中，提中，提出了出了4条条哲学中的推理法则哲学中的推理法则：简单性原理简单性原理：除那些真实而已足够说明其现象者外，不：除那些真实而已足够说明其现象者外，不必再去寻求自然界事物的其他原因。必再去寻求自然界事物的其他原因。因果性原理因果性原理：对于自然界中同一类结果，必须尽可能：对于自然界中同一类结果，必须尽可能归之于同一种原因。归之于同一种原因。统一性原理统一性原理：物体的属性，凡是既不能增强也不能减：物体的属性，凡是既不能增强也不能减弱者，又为我们实验所能及的范围的一切物体所具有者，弱者，又为我
39、们实验所能及的范围的一切物体所具有者，就应视为所有物理的普遍属性。就应视为所有物理的普遍属性。真理性原理真理性原理：在实验哲学中，我们必须把那些从各种：在实验哲学中，我们必须把那些从各种现象中运用一般归纳而导出的命题看作是完全正确的现象中运用一般归纳而导出的命题看作是完全正确的或很接近于真实的，虽然可以想象出任何相反的假说，或很接近于真实的，虽然可以想象出任何相反的假说，但是在没有出现其他现象足以使之更为正确或者出现但是在没有出现其他现象足以使之更为正确或者出现例外之前，仍然应当给予如此的对待。例外之前，仍然应当给予如此的对待。牛顿的自然哲学思想以及归纳法和演绎法相结合，牛顿的自然哲学思想以及
40、归纳法和演绎法相结合，模型和数学相结合的科学研究方法，不仅使他成功地建模型和数学相结合的科学研究方法，不仅使他成功地建立了经典力学体系，实现了物理学史上第一次大综合，立了经典力学体系，实现了物理学史上第一次大综合，而且推动了近代科学的大发展。而且推动了近代科学的大发展。恩格斯：恩格斯：“不管自然科学家采取什么样的态度，他们不管自然科学家采取什么样的态度，他们还是得受哲学的支配。还是得受哲学的支配。”玻恩：玻恩：“真正的科学是富于哲学理性的，尤其是物理真正的科学是富于哲学理性的，尤其是物理学，它不仅是走向技术的第一步，而且还是通向人类学，它不仅是走向技术的第一步，而且还是通向人类思想的最深层的途
41、径。思想的最深层的途径。”这四条法则可理解为：这四条法则可理解为：1.1.简单性原理简单性原理实际上源于古希腊毕达哥拉斯学派、哥白实际上源于古希腊毕达哥拉斯学派、哥白尼、开普勒、伽利略到牛顿，在他们研究中都贯穿了自然界尼、开普勒、伽利略到牛顿，在他们研究中都贯穿了自然界是简单和谐的指导思想。牛顿讲这是是简单和谐的指导思想。牛顿讲这是“因为自然界喜欢简单因为自然界喜欢简单化，而不爱用什么多余的原因以夸耀自己。化，而不爱用什么多余的原因以夸耀自己。”必须指出，当今一些科学家（如普里高律（必须指出，当今一些科学家（如普里高律（19172003）提出：提出：“过去科学以描述简单性为主，未来科学要以探索
42、复过去科学以描述简单性为主，未来科学要以探索复杂性为主杂性为主”，以表明世界的复杂性。为非线性科学、混沌现，以表明世界的复杂性。为非线性科学、混沌现象、耗散结构理论象、耗散结构理论普里高律又说，他并不否认自然界统普里高律又说，他并不否认自然界统一性，但他反对否定复杂性的科学观。一性，但他反对否定复杂性的科学观。2.2.因果性原理因果性原理实质是机械决定论。按牛顿力学必须实质是机械决定论。按牛顿力学必须导致机械决定论。爱因斯坦也是一位因果决定论者。但量子导致机械决定论。爱因斯坦也是一位因果决定论者。但量子力学的诞生对因果论提出了挑战，在微观世界的基本规律是力学的诞生对因果论提出了挑战，在微观世界
43、的基本规律是统计性的。统计性的。3.3.统一性原理统一性原理是四条法则中最主要的一条，也是是四条法则中最主要的一条，也是自然哲学根本所在。认识自然界的统一性是自古以来自然哲学根本所在。认识自然界的统一性是自古以来自然哲学家、物理学家所共同追求的目标。爱因斯坦自然哲学家、物理学家所共同追求的目标。爱因斯坦说：说：“从那些看来与直接可见的真理十分不同的复杂从那些看来与直接可见的真理十分不同的复杂现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉。现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉。”（文集文集第三卷第三卷P347P347）4.4.真理性原理真理性原理即既承认客观真理的存在，又指出即既承认客观真
44、理的存在，又指出通过与实验不断比较，使相对真理逐步接近绝对真理。通过与实验不断比较，使相对真理逐步接近绝对真理。六、站在巨人肩膀上的牛顿六、站在巨人肩膀上的牛顿 “如果说我比其他人看得远一点的话，那是因为我站如果说我比其他人看得远一点的话，那是因为我站在巨人的肩上。在巨人的肩上。”“”“我不知世人将如何看待我，但是在我不知世人将如何看待我，但是在我看来，我不过像一个在海滨玩耍的孩子，为时而发现我看来，我不过像一个在海滨玩耍的孩子，为时而发现一块比平常光滑的石子或美丽的贝壳而感到高兴；但那一块比平常光滑的石子或美丽的贝壳而感到高兴；但那浩瀚的真理之海洋，却还在我的面前未曾发现呢。浩瀚的真理之海洋
45、，却还在我的面前未曾发现呢。”大自然产生伟大的天才时，还必须为他先预备好最适大自然产生伟大的天才时，还必须为他先预备好最适宜的环境。笛卡儿将代数学应用于曲线及变函数宜的环境。笛卡儿将代数学应用于曲线及变函数上，。惠更斯刚发现运动的传递定律，伽利略对上，。惠更斯刚发现运动的传递定律，伽利略对于落体、于落体、。惠更斯对于渐屈线和离心力的研究导致曲。惠更斯对于渐屈线和离心力的研究导致曲线上运动的理论。开普勒已经确定了行星行走的曲线，线上运动的理论。开普勒已经确定了行星行走的曲线，而且窥见了万有引力。最后胡克已经了解行星的运动而且窥见了万有引力。最后胡克已经了解行星的运动是抛出它的原始力与太阳的引力组
46、合而成的结果。因是抛出它的原始力与太阳的引力组合而成的结果。因此天体力学这朵花的开放，只等一个有才智的人来完此天体力学这朵花的开放，只等一个有才智的人来完成，他将把以上所说的这些发现联系起来，更加普遍成，他将把以上所说的这些发现联系起来，更加普遍化，由此导出引力定律。这便是牛顿在其巨著原理化，由此导出引力定律。这便是牛顿在其巨著原理内所做出的成就。内所做出的成就。Laplace(1749-1827)七、牛顿物理学的局限性 当物体运动速率很高时（接近光速），当所描写的当物体运动速率很高时（接近光速），当所描写的体系很小时（微观体系），当所描述的物质系统很大时，体系很小时（微观体系），当所描述的物
47、质系统很大时，或引力很强时，牛顿的万有引力、运动定律和牛顿的时或引力很强时，牛顿的万有引力、运动定律和牛顿的时空观就不完全正确了，将由新的理论来代替。空观就不完全正确了，将由新的理论来代替。牛顿的科学遗产 两种类型两种类型原理精致完美、是以后继续数学物理研究的范例，基本上是一部演绎性的著作。数学物理学家：欧拉、达郎贝儿、伯努利一家（11位数学家）、拉格朗日、哈密顿、麦克斯韦、傅立叶牛顿的科学遗产 光学光学实验在书中占有重要的多的地位，不但得出的结论还不十分可靠，而且逻辑性也不是其突出特点。最后几也以及著名的一些疑问，正是这位伟大任务跑开他的超人的孤僻和冷漠，把我门当作他的知心朋友的地方。胡克、
48、杨等等，从光衍生到电磁学领域。牛顿的科学遗产让人们欢呼这样一位多么伟大的让人们欢呼这样一位多么伟大的人的的荣耀曾经在世界上生存人的的荣耀曾经在世界上生存小结（2）：牛顿A 从万有引力定律的建立过程中发现哪些问题从万有引力定律的建立过程中发现哪些问题a)问题的提出b)万有引力的假设如何提出c)看出牛顿的科学方法d)观察(或者实验)-提出假设-建立公式或者理论e)-解释已知实验现象/预言新的实验现象f)-实验检验-形成公认理论g)d)指导思想是哲学中的推理方法;技术上采用归纳法和演绎法相结合;定量研究时采用模型和数学结合方法h)万有引力的建立是归纳和演绎的结合i)建立力学模型的方法:把复杂事物的主
49、要因素保留,去掉次要因素,然后建立数学模型,归结为数学问题j)质点/理想流体/刚体.小结（2）：牛顿B 牛顿的世界牛顿的世界包括以原子论为基调的物质观包括以原子论为基调的物质观绝对时空观绝对时空观以三定律和万有引力为中心的运动观以三定律和万有引力为中心的运动观C 牛顿之后牛顿之后:理性时代理性时代乐观的科学精神乐观的科学精神“超距作用超距作用”-物质间的引力如何传递物质间的引力如何传递从力学机械观到宿命论从力学机械观到宿命论绝对时空观绝对时空观小结（2）：牛顿C 牛顿的自然哲学观牛顿的自然哲学观简单性原理简单性原理：除那些真实而已足够说明其现象者外，不必再去：除那些真实而已足够说明其现象者外，
50、不必再去寻求自然界事物的其他原因。寻求自然界事物的其他原因。因果性原理因果性原理：对于自然界中同一类结果，必须尽可能归之于同：对于自然界中同一类结果，必须尽可能归之于同一种原因。一种原因。统一性原理统一性原理：物体的属性，凡是既不能增强也不能减弱者，又：物体的属性，凡是既不能增强也不能减弱者，又为我们实验所能及的范围的一切物体所具有者，就应视为所有物为我们实验所能及的范围的一切物体所具有者，就应视为所有物理的普遍属性。理的普遍属性。真理性原理真理性原理：在实验哲学中，我们必须把那些从各种现象中运：在实验哲学中，我们必须把那些从各种现象中运用一般归纳而导出的命题看作是完全正确的或很接近于真实的，
